INDC背景下研發投資驅動的碳減排研究

顧高翔,王 錚

(1.華東師范大學人口研究所，上海 200241;2.中國科學院科技政策與管理科學研究所，北京 100190;3.華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241)

INDC背景下研發投資驅動的碳減排研究

顧高翔1,王 錚2,3

(1.華東師范大學人口研究所，上海 200241;2.中國科學院科技政策與管理科學研究所，北京 100190;3.華東師范大學地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200241)

本文采用集成評估模型CIECIA，以提高研發投資、增加知識資本存量，進而驅動過程技術進步的方式實現了包括低碳節能技術進步在內的過程技術進步的內生化，通過設置不同的研發投資情景，模擬了研發投資率的提高對各國經濟增長和碳排放的影響，對其實現國家自主貢獻(INDC)目標和全球氣候保護目標的有效性進行了評估。結果顯示：中國、俄羅斯、印度和除美國、歐盟外的發達國家可通過提高研發投資率實現INDC目標，而占未來全球碳排放量50%以上的眾多發展中國家無法通過提高自主技術創新速度實現INDC目標，進而導致研發投資情景無法實現全球2100年升溫控制目標。但是，研發投資措施促進經濟發展，從碳治理角度出發，可與經濟損害型減排措施集成，提高碳減排政策的可行性。

國家自主貢獻；過程技術進步；研發投資；碳減排；集成評估模型

1 引言

2015年12月12日，巴黎氣候變化大會達成包括《巴黎協定》和相關決定在內的巴黎成果，提出要將全球平均氣溫升幅控制較工業化前水平提高2℃以內，并努力將氣溫升幅限制在1.5℃以內[1]。已有超過190個國家/地區提交了“國家自主貢獻(Intended Nationally Determined Contributions，INDCs)預案”，其中中國確定到2020年碳排放強度較2005年下降40%～45%，到2030年碳排放強度較2005年下降60%～65%，并爭取盡早達峰；美國承諾到2025年較2005年減排26%～28%，歐盟承諾到2030年較1990年減排40%，各國均面臨嚴峻的減排形勢。

技術創新是人類社會經濟發展的推動力，是降低產品生產成本、提高生產效率，以及推動產業結構升級的重要力量，也是降低能源消耗、減少溫室氣體排放重要的動力來源。因此，推動技術進步和創新，應用和發展節能低碳技術，對于應對全球地表升溫，減緩氣候變化至關重要[2-4]。低碳技術創新的定義不應只包含直接降低碳排放強度的技術(狹義低碳技術)，生產過程中工藝技術的革新、中間成本的降低帶來中間需求量的下降，同樣帶來碳排放的降低，因為中間產品的生產同樣會帶來能源消費，因此能夠使中間成本降低的生產技術革新，或稱為過程技術進步，即為廣義上的低碳節能技術。遺憾的是，大多數研究，尤其是許多技術模型聚焦于狹義低碳技術，通過大量技術參數，詳細刻畫各種低碳技術(CCS，生物質能等)，并未考慮產業結構與投入產出關系變化帶來的碳減排作用，且其技術進步機制大多依賴技術參數的設定，并未完全實現內生化[5-7]。

近年來，集成評估模型(IAM)被廣泛應用于技術進步與碳減排的研究中，但許多IAM在經濟體系上仍存在缺陷，技術進步機制也有不足。比如，著名的RICE、DICE模型系列缺乏對于多國多部門間經濟聯系的刻畫[8-9]；MERGE、WITCH等模型的內生技術進步仍然以學習曲線為主，無法描述廣義的工藝技術革新[10-11]。在引入了基于Lorentz和Savona工作的過程技術進步機制，用于刻畫廣義低碳技術進步，但其過程技術進步的速度仍為外生給定，需要改進[12-13]。

針對上述研究的不足，本文采用氣候-經濟集成評估模型CIECIA(Capital，Industrial Evolution and Climate change Integrated Assessment model)，對技術進步的經濟和碳排放影響進行研究。在技術進步方面，CIECIA采用知識資本累積[14]驅動過程技術進步[13]的方式，實現了技術進步的內生化。值得注意的是，CIECIA的技術進步并不特指某一項具體的低碳技術，而是包括了宏觀意義上的知識積累和微觀意義上的生產工藝的改進，而低碳技術進步則包含在技術革新后對能源產品需求的減少當中。這樣的考慮體現了經濟、知識和生產技術進步之間的互動關系，更加符合世界經濟發展的現實。

在模型的基礎上，本文通過情景模擬分析了在INDC背景下研發投資帶動的技術進步速度的提高對各國的經濟增長和碳排放的影響，及其對減緩全球氣候變化的作用，評估了研發投資率的提高對實現各國INDC目標和全球氣候保護目標的可行性和有效性，并在此基礎上提出了政策建議。

2 模型與數據

CIECIA以一個發展自Jin[15]的多國多部門一般均衡模型為經濟核心，刻畫經濟-氣候之間的動態關系，解決了以往的模型中存在的缺乏經濟聯系和經濟動態機制等方面的不足[16]。受篇幅限制，本文主要介紹CIECIA的技術進步及其相關模塊，詳細的模型體系見Wang等[16]和顧高翔等[17]。

2.1 生產、研發投資與知識資本

CIECIA以Leontief函數和Cobb-Douglas函數嵌套的形式定義各部門的生產。

(1)

(2)

(3)

CIECIA引入知識資本概念[14]以刻畫經濟發展過程中知識的累積過程。知識資本的增加依賴研發投入，同時具有折舊性質：

(4)

CIECIA采用凱恩斯-拉姆齊累積效用UA描述各國在模擬期間的經濟實力：

(5)

2.2 過程技術進步

過程技術進步指的是產品生產工藝的革新，體現在生產一單位的產品需要的中間品的減少，包含了生產過程中低碳節能技術的革新，反映了廣義低碳技術的進步。CIECIA參考Lorentz，Savona[13]，采取循環隨機對數沖擊方法，模擬部門生產過程中對中間需求的減少，具體過程為：

(1)在[0,1]之間取一個服從均勻分布的隨機數。

(2)若隨機數落在[0,σ]區間，則產生一個技術沖擊。

(3)若過程技術沖擊發生，則國家j各部門的中間需求系數都受到一次沖擊。

(6)

(7)

2.3 參數取值

CIECIA依據聯合國人類發展指數將全球劃分為10個國家/地區：中國、美國、歐盟、日本、俄羅斯、印度、其他發達國家、高發展國家、中發展國家和低發展國家。基準情景下各國的研發投資率參考世界發展指數[19-20]，如表1所示。

表1 基準情景下各國的研發投資率

表2 過程技術沖擊方差與研發投資率關系修正參數(1×10-5)

3 模擬結果分析

基于CIECIA模型，本文設計了兩種研發投資提高的情景，嘗試提高各國的研發投資率以加快其過程技術進步速度，降低碳排放量并改善經濟增長。如表1所示，當前各國的研發投資率存在較大差別，發展中國家的技術進步存在較大的提升空間。另一方面，由于各國的實際研發能力有限，因此研發投資率在短時期內具有一定上限，難以上升到非常高的程度。本文假定當前發達國家的研發投資率已接近投資占比極限，即3.5%～4%之間。

表3顯示了兩種情景下各國的研發投資率。情景1下，發展中國家將研發投資率提高到1%以上，而發達國家則提高到3%以上，而在情景2下，發達國家和發展中國家的研發投資率都提高到3.5%～4%，接近研發投資率極限。

表3 兩種研發投資情景下各國的研發投資率

圖1顯示了情景1下各國2007—2100年碳排放變化趨勢。在情景1下，中國的碳排放高峰出現在2031年，接近《中美氣候變化聯合聲明》和INDC承諾的2030年碳高峰目標，其碳排放峰值為3.61GtC，到2100年降低至1.72GtC。歐美等發達國家的碳排放呈持續下降趨勢，其到2100年的碳排放量均低于1GtC，其中日本僅有100MtC。印度，中發展和高發展國家的碳排放盡管持續增長，但在2060年后增速明顯放緩，并均在2100年前達到碳排放高峰。

圖1 情景1下各國碳排放趨勢

圖2顯示了情景1下各國INDC目標年的碳排放量和單位GDP碳排放強度較基準情景和各基準年的變化率。從中可以看到，中國2030年碳排放強度較2005年下降68.26%，達到2030年碳排放強度下降60%～65%的INDC目標；美國2025年碳排放較2005年下降20.82%，未能達到其最低26%減排目標；日本2030年碳排放較2005年下降34%，已大大超過其25.4%的減排目標；歐盟2030年碳排放較1990年下降18.41%，距離其40%的減排目標仍有距離；印度2030年碳排放強度較2005年下降43.53%，滿足其33%～35%的減排目標；俄羅斯2030年碳排放較1990年下降17.56%，未能達到其25%的減排目標。

圖2 情景1下各國INDC目標年碳排放量與排放強度較基準情景和各基準年變化率(%)

其他發達國家與發展中國家存在大量不同形式的減排目標，且許多國家尚未提交自主貢獻，而部分已提交的國家并沒有明確的減排目標(如埃及、玻利維亞等)，因而其減排目標尚難以統一，但仍可通過比較總體減排率與主要碳排放國家的減排目標來判斷。其他發達國家2030年碳排放較2005年下降29.48%，較基準情景同期下降29.36%，碳排放強度較2005年下降58.18%，基本滿足各成員INDC目標(如加拿大2030年較2005年減排30%、澳大利亞較2005年減排28%、以色列較2005年減排26%)。

高、中、低發展國家的INDC目標以碳排放強度和較基準情景的減排率為主，其在情景1下到2030年的碳排放較基準情景同期下降率均不足3%，較主要碳排放國家的INDC目標(如巴西2030年較2005年減排43%、南非較基準情景減排30%左右、墨西哥較基準情景減排22%、土耳其較基準情景減排21%、泰國較基準情景減排20%、印度尼西亞較基準情景下降29%、烏克蘭不超過1990年碳排放量的60%、埃塞俄比亞較基準情景減排64%、安哥拉較基準情景減排35%)均有很大的距離。

圖3顯示了情景2下各國的碳排放趨勢。研發資本投資率進一步提高后，中國的碳排放高峰提前到2029年，高峰值下降到3.16GtC；印度、高發展和中發展國家分別在2047年、2041年和2056年達到碳高峰，俄羅斯的碳高峰也提前到2020年之前。歐美發達國家在2100年的碳排放量進一步降低，其中歐盟和其他發達國家的碳排放低于500MtC，日本僅為95.37MtC。

圖4顯示了情景2下各國INDC目標年的碳排放量和單位GDP碳排放強度較基準情景和各基準年的變化率。中國2030年碳排放強度較2005年下降72%，已超過其INDC目標；日本和其他發達國家2030年碳排放量較2005年分別下降35%和30%，滿足其INDC目標，但較情景1變化幅度很小，表明研發投資率的提高對其中短期減排作用已接近極限；美國2025年碳排放較2005年下降24%，歐盟2030年碳排放較1990年下降20.93%，仍無法滿足其INDC目標。印度2030年碳排放強度較2005年的下降率提高到57%，俄羅斯2030年碳排放較1990年下降40%，大大超過INDC目標。高、中、低發展國家2030年碳排放較基準情景下降率在15%左右，較其主要碳排放國家的INDC目標仍相去甚遠。

圖3 情景2下各國碳排放趨勢

圖4 情景2下各國INDC目標年碳排放量與排放強度較基準情景和各基準年變化率(%)

對比圖2和圖4，在研發投資率上升幅度相近的情況下，發達國家較基準情景的減排率明顯低于發展中國家。這主要由于發達國家普遍將要達到或已經達到碳排放高峰，減排潛力有限，且其初始知識資本存量和過程技術水平都遠高于發展中國家，造成研發投資措施對其過程技術進步速度的影響較小。

研發投資情景下中國、日本、印度、俄羅斯、其他發達國家可實現其INDC目標，美國在情景2下也已非常接近目標；歐盟和高、中、低發展國家的碳減排率距INDC目標仍有較大距離，難以依靠提高研發投資實現減排目標。其中，各發展中國家盡管碳減排效果好于發達國家，但其仍處在工業化進程中，未來對碳排放的需求仍將持續上漲，且初始過程技術水平較低，因此單純依靠自主研發創新無法實現在2030年較基準情景35%以上的碳減排率。

由于高、中、低發展中國家將是未來全球主要的碳排放源，基準情景下其到2100年的碳排放量占全球總碳排放量50%以上(美國和歐盟僅占8%)，其未能實現INDC目標直接影響了全球2℃升溫控制目標的實現。圖5顯示兩種情景下全球地表較工業化前升溫幅度。情景2下，全球2100年地表升溫仍然接近2.5℃。進一步的研究發現，要實現2℃目標，各國需要把研發投資率提高到7%以上，而要實現1.5℃目標，各國的研發投資率更是要達到15%以上，這在現實世界中是難以實現。因此為實現全球氣候保護目標，仍需要采取其他如生產控制、碳稅、碳關稅等減排措施。

圖5 兩種情景下全球地表溫度較工業化前水平上升幅度

盡管如此，研發投資措施仍有其碳治理意義。圖6顯示兩種情景下各國2007—2100年累積效用較基準情景明顯提高，表明研發投資的提高帶動了經濟的發展。與碳減排的趨勢一致，在研發投資率上升幅度相近的情況下，發展中國家累積效用的提高率遠高于發達國家。這同樣由于發展中國家本身知識資本存量小，基準情景下的投資率也較低，從而對投資率的變化較為敏感。因此，盡管研發投資措施不具備滿足全球氣候保護目標的有效性，但同時避免了各國因減排出現經濟損失，滿足Wang等提出的碳治理措施的可行性標準[16]。

圖6 兩種情景下各國累積效用較基準情景變化率

4 結論

本文針對巴黎氣候大會達成的《巴黎協定》和各締約國提交的INDC目標，使用氣候-經濟集成評估模型CIECIA，模擬分析了研發投資率的提高對各國的經濟發展和碳排放的影響，對其實現INDC目標和全球氣候保護目標的有效性和可行性進行評估，得到以下結論：

在碳減排效果方面，研發投資率的提高對減少碳排放量具有顯著的作用，但僅依靠研發投資措施只能使部分國家/地區實現INDC目標，且無法實現到2100年的2℃升溫控制目標。其中，中國、日本、印度和其他發達國家在情景1下即可滿足INDC中短期減排目標。俄羅斯亦可在情景2下實現INDC目標。而美國、歐盟和高、中、低發展國家在兩種情景下均未能實現INDC目標。高、中、低發展國家在兩種情景下盡管減排效果好于發達國家，但其仍處于工業化進程中，且過程技術水平較低，無法單純依靠自主研發創新來實現INDC目標。

在經濟影響方面，研發投資率的提高在一定程度上促進了各國，尤其是發展中國家的經濟發展，提高其累積效用，可減輕碳減排措施可能帶來的經濟損失。這使得采取研發投資進行碳減排的措施容易被大多數減排參與者接受，具有較高的可實現性和治理意義。

從長期來看，研發投資只是碳減排措施中的一種，而采取其他如生產控制、投資控制、產業結構和能源結構轉變、碳稅、碳關稅等減排措施仍然是必要的，尤其是對研發投資措施不敏感的發達國家。針對這一問題，可以采取綜合集成減排的方式，利用研發投資措施減輕減排損失的特點，將其與其他碳減排措施結合，以體現研發投資措施的碳治理意義。

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(責任編輯 劉傳忠)

A Research of Carbon Reductions Driven by R&DInvestments in the Context of INDC

Gu Gaoxiang1，Wang Zheng2,3

(1.Population Research Institute，East China Normal University，Shanghai 200241，China;2.Institute of Policy and Management，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;3.Key Laboratory of Geographical Information Science，Ministry of State Education of China,East China Normal University，Shanghai 200241，China)

This study applied the integrated assessment model named CIECIA.In CIECIA，a process technological progress mechanism driven by knowledge capital accumulation based on R&D investment is built to realize the endogenous of process technological progress including energy efficiency technological progress.Based on this model，this study simulated the impact of R&D on the economic developments and carbon emissions，assessing their effectiveness on their intended nationally determined contributions(INDCs)and global climate mitigation targets.The results indicate that China，Russia,India and the developed countries except US and EU would meet their INDC targets by improving R&D rates，whereas most of developing countries that occupy more than 50 percent of global carbon emissions in future would fail because of higher carbon emission demands and lower process technological levels，which would result in the global climate mitigation target failing in those scenarios.Policy for R&D investment could improve economy of a country，and it can be integrated with other measures of emission reduction that may cause economic losses，to improve the feasibility of emission reduction policies.

Intended nationally determined contribution；Process technological progress；R&D investment；Carbon reduction；Integrated assessment model

2016-06-28

顧高翔(1985-)，男，浙江寧波人，講師，博士；研究方向：地理計算、經濟計算。

F062.1；F062.4；X196

A